WO2020098746A1 - 永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法 - Google Patents

永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法 Download PDF

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李磊
李桂阳
张雷
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苏州绿控新能源科技有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop

Definitions

  • the present application relates to the technical field of motor load / unload control, for example, to a current loop hardware acceleration method in a permanent magnet synchronous motor control algorithm.
  • PMSM permanent magnet synchronous motors
  • This application provides a current loop hardware acceleration method in a permanent magnet synchronous motor control algorithm. It uses the combination of MCU and FPGA architecture and uses FPGA's ability to process data in parallel to implement the current loop in the permanent magnet synchronous motor control algorithm.
  • a hardware acceleration method of current loop in the control algorithm of permanent magnet synchronous motor, including MCU, FPGA, FPGA is responsible for calculating the current loop, FPGA obtains current commands from MCU, samples three-phase current from current sensor, and obtains rotor position from resolver decoder chip. The current loop is internally calculated, and then the pulse width modulation signal (PWM) duty cycle is sent to the drive circuit.
  • PWM pulse width modulation signal
  • the FPGA includes a communication module, an algorithm processing unit module, a current sampling module, a position reading module, and a PWM module.
  • the current command issued by the MCU is transmitted to the communication module, and the communication module transmits the current command to the algorithm processing unit module.
  • the external current sensor connects the three-phase current signal to the current sampling module, the resolver decoding chip imports the rotor position signal to the position reading module, and the algorithm processing unit module reads the three-phase current signal and the rotor After the position signal, the current loop is internally calculated, and then the PWM duty ratio is output to the PWM module, and then the PWM module sends the PWM duty ratio to the external driving circuit.
  • the communication module is used for communication between the MCU and the FPGA, that is, obtaining the current command from the MCU.
  • the current sampling module is used to collect three-phase current signals and send them to the algorithm processing unit.
  • the position reading module is used to communicate with the resolver decoding chip and send the obtained rotor signal to the algorithm processing unit.
  • the algorithm processing unit module includes an instruction processing unit, a decoupling module, space vector modulation and a fault monitoring module; the instruction processing module processes the instruction signal according to the failure signal, if a failure occurs, the instruction is set to 0, otherwise the instruction is issued Send to the decoupling module; the decoupling module takes the current command signal, rotor position signal, three-phase current signal as input, runs the current loop decoupling control algorithm, and outputs the voltage control signal to the space vector modulation module; the space vector modulation The module calculates the duty cycle of the PWM drive signal according to the voltage control signal and sends it to the PWM module; the fault monitoring module monitors whether the control algorithm is in error and feeds the fault signal back to the command processing module.
  • the PWM module generates a complementary PWM driving waveform according to the duty cycle of the PWM driving signal in the algorithm processing unit and outputs it to the driving circuit.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a current loop hardware acceleration method in a permanent magnet synchronous motor control algorithm provided by an embodiment of this application;
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of internal logic of an algorithm processing unit module provided by an embodiment of the present application.
  • a hardware acceleration method of the current loop in the control algorithm of the permanent magnet synchronous motor see Figure 1, Figure 2: including MCU, FPGA, FPGA is responsible for computing the current loop, FPGA obtains current instructions from the MCU, samples three-phase current from the current sensor, from the spin The variable decoding chip obtains the rotor position, internally calculates the current loop, and then sends the pulse width modulation signal (PWM) duty cycle to the drive circuit.
  • PWM pulse width modulation signal
  • the FPGA includes a communication module, an algorithm processing unit module, a current sampling module, a position reading module, and a PWM module.
  • the current command issued by the MCU is transmitted to the communication module.
  • the communication module transmits the current command to the algorithm processing unit module.
  • the phase current signal is connected to the current sampling module, the resolver decoding chip imports the rotor position signal to the position reading module, and the algorithm processing unit module internally calculates the current loop after reading the three-phase current signal and the rotor position signal, and then takes the PWM
  • the duty cycle is output to the PWM module, and then the PWM module sends the PWM duty cycle to the external drive circuit.
  • the communication module is used for communication between the MCU and the FPGA, that is, obtaining the current command from the MCU.
  • the current sampling module is used to collect three-phase current signals and send them to the algorithm processing unit. .
  • the position reading module is used to communicate with the resolver decoding chip and send the obtained rotor signal to the algorithm processing unit.
  • the algorithm processing unit module includes an instruction processing unit, a decoupling module, space vector modulation and a fault monitoring module; the instruction processing module processes the instruction signal according to the failure signal, if a failure occurs, the instruction is set to 0, otherwise the instruction is issued to the decoupling Module; Decoupling module takes current command signal, rotor position signal, three-phase current signal as input, runs current loop decoupling control algorithm, and outputs voltage control signal to space vector modulation module; space vector modulation module calculates PWM drive according to voltage control signal The signal duty cycle is sent to the PWM module; the fault monitoring module monitors the control algorithm for errors and feeds back the fault signal to the command processing module.
  • the PWM module generates complementary PWM driving waveforms according to the duty cycle of the PWM driving signal in the algorithm processing unit and outputs them to the driving circuit.
  • the Chinese name of the MCU in the article is the main control chip, and the Chinese name of the FPGA is the field programmable gate array device.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，其通过MCU和FPGA组合的架构方式，利用FPGA并行处理数据的能力，实现永磁同步电机控制算法中的电流环。其包括MCU、FPGA，FPGA负责运算电流环，FPGA从MCU获取电流指令，从电流传感器采样三相电流，从旋变解码芯片获取转子位置，在内部运算电流环，之后将PWM占空比发送至驱动电路。

Description

永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法
本公开要求在2018年11月14日提交中国专利局、申请号为201811352318.0的中国专利申请的优先权，以上申请的全部内容通过引用结合在本公开中。
技术领域
本申请涉及电机加减载控制的技术领域，例如涉及一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法。
背景技术
新能源车用电机一般采用永磁同步电机(PMSM)，PMSM的控制多采用矢量控制技术，电流环是其中的重要环节。电流环运算需要一定的时间资源。在现有的硬件水平下，该时间资源限制了电流环控制的带宽。
发明内容
本申请提供了一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，其通过MCU和FPGA组合的架构方式，利用FPGA并行处理数据的能力，实现永磁同步电机控制算法中的电流环。
一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，包括MCU、FPGA，FPGA负责运算电流环，FPGA从MCU获取电流指令，从电流传感器采样三相电流，从旋变解码芯片获取转子位置，在内部运算电流环，之后将脉宽调制信号(PWM)占空比发送至驱动电路。
所述FPGA包括通信模块、算法处理单元模块、电流采样模块、位置读取模块、PWM模块，所述MCU发出的电流指令传递至通信模块，所述通信模块将电流指令传递至算法处理单元模块，外部的电流传感器将三相电流信号接入至所述电流采样模块，旋变解码芯片将转子位置信号导入至所述位置读取模块，所述算法处理单元模块通过读取三相电流信号、转子位置信号后内部运算电流环，之后将PWM占空比输出至PWM模块，然后所述PWM模块将PWM占空比发送至外部驱动电路。
所述通信模块用于MCU与FPGA之间的通信，即从MCU获取电流指令。
所述电流采样模块用于采集三相电流信号送给算法处理单元。
所述位置读取模块用于与旋变解码芯片进行通讯，将得到的转子信号送给算法处理单元。
所述算法处理单元模块包括指令处理单元、解耦模块、空间矢量调制和故障监测模块；所述指令处理模块根据故障信号处理指令信号，若发生故障，则将指令置为0，否则将指令下发至解耦模块；所述解耦模块以电流指令信号、转子位置信号、三相电流信号为输入，运行电流环解耦控制算法，输出电压控制信号至空间矢量调制模块；所述空间矢量调制模块根据电压控制信号计算PWM驱动信号占空比，并下发至PWM模块；所述故障监测模块监测控制算法是否出错，并将故障信号反馈给指令处理模块。
所述PWM模块根据算法处理单元中的PWM驱动信号占空比产生互补的PWM驱动波形，输出至驱动电路。
采用本申请技术方案后，通过MCU+FPGA的电机控制架构，利用FPGA并行处理数据的能力，实现永磁同步电机控制算法中的电流环，在不改变开关频率的条件下扩展电流环的带宽，利用MCU的灵活性和FPGA处理数据的快速性，提高位置环和速度环的性能
附图说明
图1为本申请一实施例提供的永磁同步电机控制算法中的电流环硬件加速方法示意框图；
图2为本申请一实施例提供的算法处理单元模块内部逻辑示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作具体解释。
一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，见图1、图2：包括MCU、FPGA，FPGA负责运算电流环，FPGA从MCU获取电流指令，从电流传感器采样三相电流，从旋变解码芯片获取转子位置，在内部运算电流环，之后将脉宽调制信号(PWM)占空比发送至驱动电路。
FPGA包括通信模块、算法处理单元模块、电流采样模块、位置读取模块、PWM模块，MCU发出的电流指令传递至通信模块，通信模块将电流指令传递至算法处理单元模块，外部的电流传感器将三相电流信号接入至电流采样模块，旋变解码芯片将转子位置信号导入至位置读取模块，算法处理单元模块通过读 取三相电流信号、转子位置信号后内部运算电流环，之后将PWM占空比输出至PWM模块，然后PWM模块将PWM占空比发送至外部驱动电路。
通信模块用于MCU与FPGA之间的通信，即从MCU获取电流指令。
电流采样模块用于采集三相电流信号送给算法处理单元。。
位置读取模块用于与旋变解码芯片进行通讯，将得到的转子信号送给算法处理单元。
算法处理单元模块包括指令处理单元、解耦模块、空间矢量调制和故障监测模块；指令处理模块根据故障信号处理指令信号，若发生故障，则将指令置为0，否则将指令下发至解耦模块；解耦模块以电流指令信号、转子位置信号、三相电流信号为输入，运行电流环解耦控制算法，输出电压控制信号至空间矢量调制模块；空间矢量调制模块根据电压控制信号计算PWM驱动信号占空比，并下发至PWM模块；故障监测模块监测控制算法是否出错，并将故障信号反馈给指令处理模块。
其中电流环解耦控制算法另行编写，不在本申请的保护范围内，故不再赘述。
PWM模块根据算法处理单元中的PWM驱动信号占空比产生互补的PWM驱动波形，输出至驱动电路。
文中MCU的中文名称为主控芯片，FPGA的中文名称为现场可编程门阵列器件。
其工作原理如下：通过MCU+FPGA的电机控制架构，利用FPGA并行处理数据的能力，实现永磁同步电机控制算法中的电流环，在不改变开关频率的条件下扩展电流环的带宽，利用MCU的灵活性和FPGA处理数据的快速性，提高位置环和速度环的性能。

Claims (7)

  1. 一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，包括：MCU、FPGA，FPGA负责运算电流环，FPGA从MCU获取电流指令，从电流传感器采样三相电流，从旋变解码芯片获取转子位置，在内部运算电流环，之后将PWM占空比发送至驱动电路。
  2. 如权利要求1所述的一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，其中，所述FPGA包括通信模块、算法处理单元模块、电流采样模块、位置读取模块、PWM模块，所述MCU发出的电流指令传递至通信模块，所述通信模块将电流指令传递至算法处理单元模块，外部的电流传感器将三相电流信号接入至所述电流采样模块，旋变解码芯片将转子位置信号导入至所述位置读取模块，所述算法处理单元模块通过读取三相电流信号、转子位置信号后内部运算电流环，之后将PWM占空比输出至PWM模块，然后所述PWM模块将PWM占空比发送至外部驱动电路。
  3. 如权利要求2所述的一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，其中，所述通信模块用于MCU与FPGA之间的通信，即从MCU获取电流指令。
  4. 如权利要求3所述的一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，其中，所述电流采样模块用于采集三相电流信号送给算法处理单元。
  5. 如权利要求4所述的一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，其中，所述位置读取模块用于与旋变解码芯片进行通讯，将得到的转子信号送给算法处理单元。
  6. 如权利要求2所述的一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，其中，所述算法处理单元模块包括指令处理单元、解耦模块、空间矢量调制和故障监测模块；所述指令处理模块根据故障信号处理指令信号，若发生故障，则将指令置为0，否则将指令下发至解耦模块；所述解耦模块以电流指令信号、转子位置信号、三相电流信号为输入，运行电流环解耦控制算法，输出电压控制信号至空间矢量调制模块；所述空间矢量调制模块根据电压控制信号计算PWM驱动信号占空比，并下发至PWM模块；所述故障监测模块监测控制算法是否出错，并将故障信号反馈给指令处理模块。
  7. 如权利要求2所述的一种永磁同步电机控制算法中电流环硬件加速方法，其中，所述PWM模块根据算法处理单元中的PWM驱动信号占空比产生互补的PWM驱动波形，输出至驱动电路。
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